超薄设计材料可释放量子现象

在《自然》杂志上，一组物理学家发表论文指出，设计出了一种新的超薄材料，用于制造难以捉摸的量子态。这些量子态被称为“一维马约拉纳零能量模式”，可对量子计算产生巨大影响。

量子计算机的核心是量子位，用于进行高速计算。量子位对计算机周围的噪声和干扰非常敏感，这会在计算中引入误差。一种新型的量子比特，称为拓扑量子比特，可以解决此问题，而一维马约拉纳零能量模式将可能是制造这种拓扑量子比特的关键。

什么是“一维马约拉纳零能量模式”？

一维马约拉纳零能量模式，英语：one-dimensional Majorana zero energy modes，缩写：MZM，是一组以特定方式结合在一起的电子，因此它们的行为就像一个叫做马约拉纳费米子的粒子，这是粒子物理学家马约拉纳在1930年代首次提出的粒子。如果将马约拉纳的理论粒子束缚在一起，它们将作为拓扑量子位起作用。问题是：无论是在实验室还是在天文学中，都没有发现它们存在的证据。研究人员没有试图制造出一个在宇宙中任何地方都从未见过的粒子，而是试图使规则的电子表现得像它们。

为了制造MZM，研究人员需要非常非常小的材料。MZM的形成是通过给一组电子提供非常特定数量的能量，然后将它们捕获在一起以使它们无法逃逸。为此，材料必须是二维的，并且在物理上应尽可能薄。要创建一维MZM，团队需要制造一种全新的2D材料：一种拓扑超导体。如图所示一维马约拉纳零能量模式位于二维拓扑超导体的边缘。

拓扑超导性是在电绝缘体和超导体的边界处发生的特性。要创建一维MZM，研究团队需要能够在拓扑超导体中将电子捕获在一起，但是，这并不像将磁体吸附到任何超导体上那样简单。

研究人员解释说：“如果将大多数磁铁放在超导体上，就会阻止它成为超导体。” “材料之间的相互作用破坏了它们的性能，但是要制造MZM，您需要使材料稍微相互作用。技巧是使用2-D材料：它们之间的相互作用足以使您需要的MZM特性。”

问题是是自旋的属性。在磁性材料中，自旋全部沿相同方向排列，而在超导体中，自旋以交替方向反排列。将磁体和超导体放在一起通常会破坏自旋的对准和反对准。但是，在二维分层材料中，材料之间的相互作用足以“倾斜”原子的自旋，足以使它们产生制造MZM所需的特定自旋态，称为Rashba自旋轨道耦合。

查找——维马约拉纳零能量模式

该研究中的拓扑超导体是由一层溴化铬制成的，这种材料仅当一个原子厚时仍具有磁性。研究团队在二硒化铌超导晶体上生长了一个原子厚的溴化铬岛，并使用扫描隧道显微镜对其电性能进行测量。

Foster教授说：“需要大量的仿真工作来证明我们看到的信号是由MZM引起的，而不是其它影响。” “我们需要证明所有零件都装配在一起以证明我们生产了MZM。”现在，团队确定他们可以使用二维材料制作一维MZM，下一步将是尝试将它们制作成拓扑量子位。

Liljeroth教授说：“该研究很酷的部分是我们用二维材料制造了MZM，从原理上讲，它们更易于制造、更易于定制其性能，最终成为很可用的设备。”